Podstawy projektowania PCB.

Wstęp

Gdy wykonywałem pierwsze swoje płytki to były czasy ołówka, gumki, papieru milimetrowego, lakieru do paznokci lub lakierów nitro czy rozpuszczonej na spirytusie kalafonii z barwnikiem i rapitografu. Wtedy projektowanie płytek było dla mnie proste i bezproblemowe. Od tego czasu przeszedłem bardzo długą drogę. Dobre zaprojektowanie płytki może nie jest dla mnie trudne jednakże już nie jest takie proste jak w latach 80-tych. Obserwuję czasem na serwisie elektroda „Wypociny” użytkowników serwisu i ich projekty nie spełniają podstawowych zasad. Jednak spotkałem się z projektami wykonywanymi w firmach, gdzie i sam projekt elektroniki, jak i PCB wołał o pomstę. Dlatego w ramach tego artykułu chciałem opisać, na co należy zwracać uwagę. Nie będę umieszczał ścisłych wzorów obliczeń lecz chcę uświadomić jakie błędy popełniają projektujący płytki PCB.

1. Rodzaj laminatu

W obecnej chwili króluje laminat FR4. Stanowi on podstawowy element płytek PCB wykorzystywany w 99,9% projektów. Inne laminaty starszej generacji zniknęły praktycznie z produkcji ze względu na niską trwałość więc o nichj nie będę wspominał choć jako ciekawostkę podam, iż jeszcze niedawno trafiło w moje łapki urządzenie produkcji rosyjskiej na tzw papierowym laminacie. Który wolno lutować ……. tylko raz. Próba naprawy spowoduje odparzenie ścieżek. Naprawa na takim laminacie polega na odcięcu wyprowadzeń elementu i delikatnym dolutowaniu do tych wyprowadzeń nowego elementu. Na szczęście już w Polsce nie używa się tego rodzaju laminatów. Są również droższe laminaty lecz w niektórych sytuacjach korzystniejsze, np. laminat PTFE (ceramika-teflon). Jego zaleta to lepsze właściwości przy bardzo dużych częstotliwościach oraz lepsze przewodnictwo cieplne niż w przypadku laminatu FR4. Spotkałem się z projektem akademickim urządzenia mocy na takim laminacie i w podczerwieni widać było wyraźnie lepsze cieplne warunki pracy półprzewodników. Jednakże przyznam się szczerze, iż w swojej praktyce zawodowej nigdy nie miałem okazji wykorzystać tego laminatu.

2. Odstępy ścieżek.

W zależności od napięć musimy stosować odpowiednie odległości między ścieżkami. Odporność na przebicia i upływy jest bardzo ważna w płytkach. W niektórych projektach nie udaje się zachować tej odległości. Możemy wtedy zastosować dwie techniki zapewniające bezpieczeństwo.

Należą do nich: - frezowanie szczelin w płytce; - lakierowanie płytki lakierem elektroizolacyjnym.

3. Przekrój poprzeczny ścieżek.

Jest on ważny gdyż straty mocy spowodowane spadkami napięć przy dużych prądach mogą prowadzić do nadmiernych strat mocy a nawet przepalenia ścieżek. A by dobierać właściwą szerokość ścieżek musimy uwzględnić również grubość ścieżek. Występują tutaj oczywiście sprzeczności wśród których musimy znaleść złoty środek. Jeśli stosujemy na płytce elementy o dużej gęstości wyprowadzeń musimy wybierać grubość miedzi 1oz lub nawet 0,5oz oczywiście stosowanie miedzi o grubości 0,5oz jest sprzeczne z dużym przekrojem poprzecznym ścieżek dla elementów o dużej mocy. W takich sytuacjach gdy mamy połączenia o dużych prądach jeśli jest taka możliwość lepiej stosować grubszą warstwę miedzi i układy scalone o rzadszym rastrze. Musimy pamiętać również, iż grubsza warstwa miedzi wymusza większe przerwy między ścieżkami. Wynika to z procesów technologicznych i zbyt małe przerwy prowadzą przy grubszej warstwie miedzi do mikrozwarć w druku a to się przekłada na wzrost problemów związanych z uruchomieniami. Powinniśmy dążyć do jak najmniejszych strat mocy w urządzeniu. Straty mocy w ścieżkach również są ważne! Wynika to z tego, iż z jednej strony ścieżka przewodzi prąd i na niej wydziela się ciepło a z drugiej stanowi ona radiator oddający je do otoczenia również z elementów do nich dołączonych. W projekcie ścieżki wysokoprądowe należy projektować jako jak najszersze i jak najkrótsze. W przypadku wysokoprądowych ścieżek gdy nie jesteśmy zapewnić odpowiedniego przekroku stosuje się pogrubienie przez nalutowanie lutowia. Pozostawia się na ścieżce ze zdjętą soldermaskę i przy montażu rozpływowym należu umieścić ścieżkę, na którą nakłada się pastę lutowniczą a w przypadku niektórych płytek poprzez ręczne nalutowanie warstwy lutowia przez człowieka.

4. Przekrój poprzeczny przelotek.

Jak w przypadku ścieżek tak i w przypadku przelotek występuje ten sam problem. Więcej. Musimy uwzględnić, iż z przelotką są większe problemy wynikające z procesów technologicznych niż ze ścieżką co może spowodować mniejszy przekrój przewodnika więc jeśli zamierzamy przeprowadzić wysokoprądową ścieżkę na drugą stronę płytki musimy zapewnić spory zapas (mniejszą rezystancję) niż w przypadku prowadzonej ścieżki. Metodą na zwiększenie przekroju poprzecznego przelotki jest pozostawienie jej jako przelotki odkrytej i pokrycie jej pastą lutowniczą. Lutowie podczas przejścia przez piec wpłynie do wnętrza przelotki i wypełni otwór zwiększając średnicę. Opcją jest ręczne „zalutowanie przelotki. W przypadku dużych prądów często stosuje się elementy przewlekane. W takiej sytuacji przejście z jednej strony na drugą możemy wykonaś bezpośrednio na wyprowadzeniu elementu przewlekanego. Ze względu na koszt wykonania nie proponuje się wykonania przejścia poprzez bezpośrednie przelutowanie za pomocą przewodu. Rozwiązaniem jest również realizacja przejścia poprzez wielokrotne przelotki. jednakże musimy w tym wypadku pamiętać, że odległości pomiędzy wejściem ścieżki z jednej strony płytki względem wyjścia z drugiej strony płytki muszą być dokładnie tej samej długości przy przejściu przez każdą z przelotek! Jest to bardzo ważne gdyż niezastosowanie się do tej reguły spowoduje że przelotki do których prowadzi dłuższa warstwa miedzi będą przenosiły mniejszy prąd niż te z krótszymi przejściami. Stosuje się również połączenia nitowane. jednak ich koszt jest wysoki.

5. Montaż mieszany.

W przypadku montażu mieszanego nie umieszczaj elementów SMD z tej samej strony co elementy przewlekane. Na pewno spowoduje to problem z pomiarami, uruchamianiem i naprawą. Wysokie elementy uniemożliwią dostęp i wygodne lutowanie za pomocą „Dmuchawki”. Znam projekt, w którym co druga naprawiana płytka trafiała z tego powodu do kosza.

6. Odprowadzanie ciepła.

Czasem są elementy, na których wydziela się spora moc. Jeśli mamy dużo miejsca na płytce zapewnijmy tym elementom dużą powierzchnię odprowadzenia ciepła. Typowo dotyczy to elementów w takich obudowach jak TO-223 lub innych z radiatorem lutowanym do PCB. Co prawda przy takich obudowach można dolutować radiator. Są nawet takie gotowe jednak unikajmy jak ognia operacji wykonywanych przez człowieka. Powoduje to wzrost zawodności (mała powtarzalność) jak i wysoki koszt takich rozwiązań.

7. Naskórkowość.

Naskórkowość prądów powoduje, iż niejednokrotnie nie cały przekrój połączenia przewodzi i ma większą impedancję jak i prąd płynący przez część przekroku poprzecznego przewodnika ma większą rezystancję. O ile naskórkowość nie ma znaczenia przy małych częstotliwościach to przy dużych może się zemścić okrutnie. Często widzę, wykonane dławiki i transformatory do przetwornic impulsowych gdzie wysokoprądowe wyjście jest nawijane drutem zamiast linką. Dotyczy to również ścieżek. można kupić układy przetwornic scalonych pracujące przy częstotliwościach powyżej 1MHz. Jeśli uwzględnimy naskórkowość, to wnikanie prądu dla 1MHz nie przekraca 0,066mm. Należy zwrócić szczególną uwagę na dławiki, transformatory, etc. dotyczy to również nadajników RF.

8. Równoległe łączenie elementów.

Regularnie widzę błędy w prowadzeniu ścieżek przy elementach łączonych równolegle. Mści się to szczególnie w przetwornicach napięcia. Obowiązuje tu dokładnie ta sama zasada jak przy przelotkach. Długości ścieżek łączonych równolegle elementów muszą być dokładnie takie same dla wszystkich łączonych elementów. W przeciwnym wypadku przez tranzystory, kondensatory, czy rezystory łączone równolegle popłyną dość znacznie różniące się prądy!

9. Pętle ze ścieżek.

Typowym błędem, który obserwuję w płytkach to pętle wykonane ze ścieżek. Regularnie wylewana jest masa na płytkach jednowarstwowych wokół całej elektroniki bez zapewnienia przerwy. Tworzy się w ten sposób zwarty zwój będący równocześnie anteną-obwodem rezonansowym. Powinniśmy unikać takiej sytuacji gdyż zewnętrzne silne pole spowoduje wyindukowanie się niechcianego przepływu prądu w pętli.

10. Ładna płytka - brzydka płytka.

Obecnie panuje mania prowadzenia ścieżek pod kątami 90/45 stopni. To takie „technicznie” ładne, profesjonalny wygląd. Jednak musimy zdawać sobie sprawę z wad takiego prowadzenia ścieżek. Takie prowadzenie ścieżek ma następujące wady: - większa długość ścieżek; - większa zajmowana powierzchnia; - tworzenie się rezonansów szczególnie przy kątach załamania 90 stopni; - większe przesłuchy między ścieżkami; - mniejsza liczba możliwych do przeprowadzenia ścieżek pomiędzy punktami lutowniczymi.

Zaginęła tradycja prowadzenia ścieżek zaokrąglonych które niwelują tamte wady. Jedyną wadą zaokrąglonych ścieżek jest „nieładny technicznie” wygląd.

11. Droga powrotna.

Niejednokrotnie widzę podstawowy błąd prowadzenie ścieżek. Projektanci w swej nieświadomości nie zwracają uwagi na drogę powrotną sygnałów! Podstawowy podział sygnałów to:

  • stałoprądowe;

  • zmienne/przemienne.

Powrót sygnału w przypadku stałoprądowych sygnałów odbywa się po drodze najmniejszej rezystancji ścieżek. Generalnie brak powrotu bezpośrednio pod ścieżką stałoprądową nie stanowi wielkiego problemu lecz nie jest wskazane by była to duża pętla gdyż ta pętla może przyjmować zakłócenia EMI. Największy problem stanowi powrót sygnałów zmienneych/Przemiennych. Powrót sygnału przebiega w przypadku takich ścieżek po drodze najmniejszej impedancji. Najmniejsza reaktancja oznacza najmniejszą pętlę pomiędzy ścieżką a ścieżką powrotną. W efekcie powrotny sygnał przechodzi przy większych chęstotliwościach bezpośrednio pod ścieżką. Trzy szerokości ścieżki powrotnej przenoszą 95% prądu naszej ścieżki sygnałowej. Aby zapewnić właściwą drogę sygnału musimy dbać o przejście sygnału powrotnego jak najbliżej ścieżki sygnałowej. Techniką bardziej zaawansowaną jest prowadzenie sygnału powrotnego porzez warstwę zasilającą zamiast po warstwie masy.

12. Szerokość kołnierza przelotki.

Mało kto zwraca uwagę na szerokość kołnierza ścieżki. Jeśli nie musimy to starajmy się kołnierze robić większe. Mały kołnierz + niedokładność maszyny owiertu może spowodować problemy.

13. Łezka (Teardrop).

Bardzo rzadko projektanci stosują tzw łezki. Zamiana połączenia do padu lub przelotki czy otworu z prostego w zwężające się w kierunku ścieżki tzw. łezka zapewnia zmniejszenie problemów mechanicznych z płytką.

14. Punkty pomiarowe.

W większości płytek brakuje punktów pomiarowych. Projektant elektroniki powinien przewidzieć na etapie projektowania podstawowe procedury pozwalające na uruchomienie płytki jak i na przyszłą naprawę w razie awarii.

15. Punkt masy, Punkt zasilania.

Wejście zasilania na płytkę lub wyjście przetwornicy w którym należy rozdzielać na część analogową i cyfrową lub w zależności od potrzeb na więcej linii zasilających. Zapewni to iż część wspólna szyn zasilających będzie najmniejsza i nie będzie powodowała nakłdania się zakłóceń przenoszonych przez zasilanie wynikające ze spadków napięcia na impedancji wspólnej części ścieżki zasilającej.

16. Warstwy zasilające

Ze względów oszczędnościowych dążymy do płytek jednowarstwowych. Najlepiej widać jakie to ma znaczenie gdy otworzymy jakiś sprzęt ADG np. pralkę. Jednak sprzęty bardziej złożone wymagają płytek 2 i więcej warstwowych. Ze względu na EMC/EMI najbardziej korzystne są płytki co najmniej 4-ro warstwowe. Pozwalają one na całe oddzielne warstwy zasilajace, które zapewniają:

  • małą rezystancję i reaktancję;

  • małą pętlę prądową na drodze ścieżka-droga powrotna;

  • tworzą dodatkową pojemność tłumiącą zakłócenia w.cz.

Jeśli będziemy mieli szczęście i projekt będzie wielowarstwowy należy zwracać uwagę na to, by jak najmniej przecinać te warstwy. Generalnie zasada jest taka, iż warstwy zasilające daje się wewnątrz stack-u płytki. Realizowałem jednak projekt karkołomny, o wyśrubowanych parametrach EMC/EMI. Ze względu na EMC/EMI w projekcie warstwy zasilające były wylame na zewnętrznych warstwach stack-u, zaś wszystkie ścieżki pomiędzy elementami znajdowały się na wewnętrznych warstwach. Na zewnętrznych warstwach znajdowały się wyłącznie pady i przelotki przenoszące ścieżki na wewnętrzne warstwy. W przypadku typowych płytek posiadamy wyłącznie jedną lub 2 warstwy. Jeśli jest to płytka dwuwarstwowa zadanie jest trudniejsze ale nei niewykonalne. Warstwy masy wylewa się na obu warstwach zewnętrznych TOP i BOTTOM a napięcie zasilające prowadzi się jako ścieżki. Jednak należy wtedy bardzo zwracać uwagę czy ścieżki z warstwy TOP nie przecinają ścieżki powrotnej na warstwie BOTTOM i na odwrót. W przypadku jednowarstwowych płytek jedynie możemy eliminować pętle poprzez:

  • właściwe rozmieszczenie elementów;

  • dodatkowe zwory zapewniające zmniejszenie pętli ścieżka-droga powrotna.

17. Przesłuchy.

Jest to częsta przyczyna problemów i nałej odpornosci na zakłócenia zewnętrzne EMI. Sygnały szybko zmienne/przemienne prowadzone w ścieżce ze względu na małe odległości między ścieżkami przenoszą się bardzo dobrze na sąsiednie ścieżki. Wyindukowany w sąsiedniej ścieżce jest wprost proporcjonalny do długości sąsiedztwa, mocy sygnału w ścieżce pierwotnej oraz odwrotnie proporcjonalny do odległości. Należy zwracać uwagę by ścieżki sygnałowe nie przechodziły w sąsiedztwie ścieżek np. przetwornicy impulsowej gdzie prądy w piku (peak) osiągają wartości często wielu amperów. o ile w ramach jednej magistrali sygnały idą synchronicznie i można nie martwić się o wpływ sygnałów na siebie to jednal należy zwracać uwagę aby sygnał zatrzaskujący przesyłane dane był odseparowany od sygnałów danych. Poprowadzenie sygnału zatrzaskującego np po między np dwoma ścieżkami danych przy odpowienim zgraniu sygnałów może doprowadzić do powstania impulsu zwanego GLITCH-em, który może uniemożliwić poprawne działanie bądź spowoduje znaczne zmniejszenie odporności na zakłócenia EMI uniemożliwiające przejście badań.

18. Podział na bloki.

Podstawowym podziałem większości urządzeń jest podział na blok analogowy i cyfrowy. Drugim podziałem jest podział na część wysokoprądową i niskoprądową.

19. Wyrównanie ścieżek.

Dołączanie np do kontrolera pamięci wymaga wyrównania długości ścieżek. Wynika to z faktu, iż czas przejścia sygnału przez ścieżkę jest ściśle określony a niewyrównanie ścieżek może powodować sytuacje w których sygnał zatrzaskujący dane (znacznie krótsza ścieżka) może dotrzeć przed sygnałami danych (znacznie dłuższa ścieżka). Szybkość prądu w ścieżce określa parametr skrócenia fali wynikły z właściwości dielektryka płytki PCB i jest to parametr określany jako Er

20. Dopasowanie impedancji.

Podstawowym problemem braku impedancji jest wielokrotne odbicie sygnału w ścieżce. Prąd zachowuje się wtedy tak jak woda wpuszczona w podłużne koryto. Nagła zmiana poziomu napięcia powoduje dokładnie ten sam efekt, jak nagłe usunięcie przegrody w wodnym korycie o dużej różnicy poziomów wody z obu stron przegrody. Woda przelatuje do końca koryta spiętrza się i fala się odbija. Dopasowanie impedancyjne zapewnia, iż ta fala zostaje odpowiednio stłumiona i nie faluje. W zasadzie optymalnie byłoby zawsze dbać o impedancję ścieżek. W praktyce kontrola impedancji ścieżek jest możliwa tylko na płytkach o co najmniej czterech warstwach. Jest ona konieczna w przypadku wszystkich szybkozmiennych sygnałów. Na płytkach o dwóch warstwach jeśli występują ścieżki, które wymagałyby kontroli impedancji musimy zadbać aby one były po prostu jak najkrótsze. Dopasowanie impedancyjne zapewnia zmniejszenie generowanych zakłóceń EMC.

  1. Mocowanie masywnych elementów.

Jednyym z częstszych uszkodzeń jest oderwanie się od pola lutowniczego a nawet przerwanie lutu w elementach masywnych mocowanych do płytki wyłącznie poprzez przylutowanie. Najbardziej obrazowym przykłądem jest transformator. W urządzeniach narażonych na wibracje. a czasem wyłącznie pod wpływem wibracji wytwarzanych przez sam transformator ulega przerwaniu łączenie elektryczno-mechaniczne pomiędzy transformatorem a PCB. Dotyczy to również transformatorów przewlekanych. Aby tego uniknąć wskazane jest aby zapewnić dodatkowe mocowanie zapobiegające takiemu zjawisku.

22. Punkty podparcia płytki PCB.

Mało kto zdaje sobie sprowę, iż ma to znaczenie odporności na uszkodzenia mechaniczne. Jeśli obudoiwa nie zapewnia właściwego podparcia płytki, na płytce w przypadku wibracji i udarów może nastąpić odłączenie zimnych lutów lub słabo przylutowanych wyprowadzeń. Aby zmniejszyć ryzyko awarii w takim przypadku należy długie obudowy układów scalonych umieszczać w poprzek największej odległości podparcia.

23. Zabezpieczenie przed „użyszkodnikiem”.

Okazuje się, iż większość uszkodzeń dokonuje „użyszkodnik”. Nie jest to przypadkowe złożenie słów. Są dwa rodzaje użyszkodników: - Nieświadomy; - Świadomy,

Nieświadomy dokonuje przypadkowego uszkodzenia poprzez niewłaściwe podłączenie, urządzenia. Świadomy dokonuje operacji aby uszkodzić urządzenie. Spotkałem aż dwóch ludzi, którzy specjalnie uszkadzali sprzęt na gwarancji aby go wymienić na nowiutki. Skoro ja spotkałem dwóch a średnio człowiek poznaje kilka tysięcy ludzi w trakcie swojego życia to w skali całej Polski czy nawet Europy jest ich znacznie więcej. Niezależnie od rodzaju użyszkodnika istnieją cztery podstawowe działania zapewniające zabezpieczenie przed uszkodzeniem.

  • Obudowa lub konstrukcja urządzenia nie pozwalająca na wprowadzenie do wnętrza poprzez otwory jakiechkolwiek przewodów, które umożliwiłyby na zwarcie lub podanie z zewnątrz napięcia bezpośrednio do płytki urządzenia;

  • Na poziomie układu zabezpieczenie wejść przed niewłaściwym podaniem sygnałów/napięć lub zapewniające znacznie wyższą odporność niż podana w DTR (Dokumentacji Techniczno-Ruchowej);

  • Wprowadzenie znaczników, które ulegają uszkodzeniu przed uszkodzeniem właściwego układu i pozwalają udowodnić niewłaściwą obsługę;

  • Na poziomie PCB na wejściach o dużym poborze prądu możemy w postaci ścieżki-bezpiecznika wprowadzić znacznik ulegający przepaleniu przed przekroczeniem podanej w DTR wartości maksymalnego przepływu prądu.

Zastosowanie tych rozwiązań zapewnia zmniejszenie kosztów obsługi gwarancyjnej o blisko 90% !!!

Napisałem te porady dotyczące projektowania PCB z pamięci. jeśli ktoś zauważy, iż o czymś zapomniałem niech napisze do mnie a uzupełnię listę.